掺硅二氧化钛纳米管复合分离膜及其制备方法和应用技术

膜技术领域中的掺硅二氧化钛纳米管复合分离膜及其制备方法和应用，特征：掺硅二氧化钛纳米管复合分离膜是以孔径为１０－２００ｎｍ的多孔无机陶瓷膜为载体，通过溶胶－凝胶技术掺硅、浸渍、干燥、焙烧，在载体的孔道内外制成内管径为１－２００ｎｍ的二氧化钛纳米管复合膜，并且，二氧化钛纳米管垂直膜片；制备：将载体清洗烘干后，制备硅摩尔含量５－５０％的二氧化钛溶胶，将无机膜在溶胶中浸渍、干燥、焙烧至４００－７００℃保温，冷却后与载体膜一起构成掺硅二氧化钛纳米管复合分离膜；优点：（１）能控制复合分离膜管径为１ｎｍ；（２）应用于水处理中，２－４ｈ后处理效率达到８１－９５％，（３）工艺简单，既可用于实验操作，又可大规模工业生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种分离膜产品及其制备方法和应用，更具体的说，涉及以多孔无机陶瓷膜作为载体和模板的掺硅二氧化钛纳米管复合分离膜及其制备方法和应用，属于膜

技术介绍
膜分离技术是在压差推动力作用下进行的气相或液相分离过程，它因具有无相变、能耗低、设备简单、占地少等明显优点而受到普遍关注。膜分离技术现已初步产业化，最早出现的便是超滤和微滤技术。1918年Zsigmondy提出了商品微滤膜的制备方法，于1921年获得专利。随着膜分离技术的发展，其在很多领域具有广泛应用，如食品工业、生物工程、水处理工业、化学工业、石油化工、冶金工业等领域。无机陶瓷膜具有更为实际的应用价值和前景，它有着耐高温、化学稳定性好、机械强度高、抗微生物能力强和孔径分布范围窄等优点；然而其不足之处在于装填面积小，运行费用偏高，膜容易污染，分离的污染物需要二次处理，在分离过程中膜仅仅起到简单的过滤功能，膜分离不能把污染物彻底分解去除。如果将膜分离技术与其它技术相结合(如光催化技术)，则可能会解决以上问题。光催化降解的基本原理是半导体催化剂在紫外光的照射下，其价带上的电子被激发到导带上，形成电子-空穴对，从而具有强的氧化还原能力。该法处理效率较高、氧化剂利用效率高、选择性好、而且不带入其它杂质。近些年，TiO2纳米结构(如纳米粒子、纳米管、纳米棒等)因具有优异的光催化活性，而受到人们的广泛关注。在TiO2纳米结构的基础上，通过负载一些贵金属或者掺杂一些无机元素，使TiO2光催化剂的光谱利用范围变宽以及光催化活性大大提高。如Jung等制备的Si掺杂TiO2纳米粒子光催化剂，用于处理三氯乙烯，处理效率是德国Degussa P25的5倍。尽管光催化技术有很多优点，但该方法较难以工业化，其主要问题在于(1)粉末态催化剂颗粒容易随处理液或处理气流失，难以回收利用；(2)无负载或掺杂元素的TiO2光催化剂通常光谱利用范围较窄，表面亲水性较弱，机械强度较低，导致催化剂的光催化活性和应用稳定性较低。基于膜分离技术和光催化技术的优缺点，2005年7月30日由大连理工大学提出的公开号为CN1745886A的二氧化钛纳米管复合分离膜及其制备方法和应用专利申请，已成为现有技术的典型，该技术用无机光催化复合膜将光催化和膜分离两个彼此相互独立的单元操作合并为一个单元操作，具有光催化分解与膜分离的一体化功能，但也存在有不足由于没有元素的掺杂，不能有效抑制二氧化钛晶粒的生长，导致复合膜可制备的最小孔径只为20nm，光催化处理率4-6h达80-95％，表面亲水性润湿角大于10°和膜表面易碎裂。
技术实现思路
本专利技术的目的和任务是要克服现有技术存在的(1)制备的膜最小孔径仅为20nm，不能有效处理小分子污染物，(2)光催化活性有限，在水处理中达到80-95％需要4-6h，时间较长，(3)膜表面润湿角大于10°，亲水性低，(4)膜表面强度低，易碎裂的不足，并提供一种在多孔无机陶瓷膜载体上制备掺硅二氧化钛纳米管复合分离膜应用于水处理
中，特提出本专利技术的掺硅二氧化钛纳米管复合分离膜及其制备方法和应用的技术解决方案。本专利技术的基本构思是，溶胶-凝胶成膜技术是一项简易可行、技术成熟并具有工业化前景的涂膜技术，利用硅酸酯在溶胶-凝胶成膜技术的制胶过程中掺杂硅元素，可以通过改变硅掺杂的摩尔含量来控制二氧化钛晶粒的生长，并以多孔无机陶瓷膜作为载体和模板，利用膜孔的模板作用，通过浸渍提拉成膜从而制备更小膜孔径、更高光催化活性和更大机械强度的掺硅二氧化钛纳米管复合分离膜。本专利技术所提出的掺硅二氧化钛纳米管复合分离膜，包括孔径为10-200nm、孔间距为20-150nm的多孔无机陶瓷膜载体和二氧化钛纳米管复合分离膜的制备，其特征在于掺硅二氧化钛纳米管复合分离膜是以孔径为10-200nm、孔间距为20-150nm的多孔无机陶瓷膜为载体，通过溶胶-凝胶技术掺硅制胶，载体膜经过浸渍、干燥、焙烧，在载体的孔道内外形成二氧化钛纳米管，从而构成孔径为1-200nm、孔间距为20-150nm的掺硅二氧化钛纳米管复合分离膜，并且，二氧化钛纳米管垂直于膜片，其硅元素掺杂摩尔含量为5-50％。本专利技术所提出的掺硅二氧化钛纳米管复合分离膜的制备方法，其特征在于，制备的方法步骤如下第一步，载体的预处理将作为载体的无机膜用去离子水清洗并以50-100℃烘干后，自然降至室温备用；第二步，掺硅二氧化钛溶胶的制备将钛醇盐和硅醇盐按硅摩尔含量5-50％的比例混合成1份前驱体原料，溶于0.5-2份无水乙醇中搅拌均匀后，再缓慢加入0.1-1份盐酸或硝酸、0.5-2份无水乙醇、0.1-1份水的混合溶液并搅拌，缓慢水解得到浅黄色透明掺硅二氧化钛溶胶；第三步，掺硅二氧化钛纳米管复合分离膜的制备将无机膜浸入该溶胶1-30min中，取出干燥后，升温至400-700℃保温0.5-4h；然后以50-500℃/h降至室温，制备完成。本专利技术所提出的使用掺硅二氧化钛纳米管复合分离膜处理水的应用，其特征在于当待处理水通过复合分离膜时，由压力泵或真空泵产生范围为0.02-1.0MPa的压差来提供分离过程所需要的驱动力，对水中污染物进行膜分离，同时复合分离膜经紫外灯照射时，二氧化钛被激活，产生光生空穴-电子对，在反应过程中持续通入空气，使膜截留或吸附物质发生氧化还原反应并降解，经2-4h后其处理效率达81-95％。本专利技术的进一步特征在于多孔无机陶瓷膜载体为三氧化铝、氧化锆、二氧化硅；二氧化钛纳米管是具有锐钛矿晶型的二氧化钛纳米管或含有锐钛矿晶型为主的二氧化钛混晶纳米管；掺硅二氧化钛纳米管复合分离膜层，是可以经过再掺杂或表面处理的复合分离膜层；使用掺硅二氧化钛纳米管复合分离膜，可应用于有机污染物废水处理、污废水深度处理回用、饮用水消毒、高纯水制备和海水淡化的水处理
有机污染物废水处理和污废水深度处理回用包括染料类，化工中间体类(如酚、氯酚、硝基物、胺基物、氯代烃等)，表面活性剂类，农药类，除草剂类，烃类，多氯联苯类，粘合剂类废水。本专利技术所提供的二氧化钛纳米管复合分离膜，在制备过程中，通过控制浸渍时间，可以获得不同孔径的二氧化钛纳米管复合分离膜，当无机膜在掺硅二氧化钛溶胶中浸渍的时间取下限值1min时，相同孔径无机陶瓷膜载体所制备的掺硅二氧化钛纳米管复合分离膜具有较大的孔径，处理有机污染物时，获得截留率相对较低；当载体浸渍的时间取上限值30min时，相同孔径无机陶瓷膜载体所制备的掺硅二氧化钛纳米管复合分离膜的孔径较小，获得截留率相对较高；制备过程中，复合分离膜的煅烧温度、保温时间以及降温速度对复合分离膜内部二氧化钛纳米管的形成具有重要的影响，当无机膜的煅烧温度低于400℃时，构成复合分离膜的二氧化钛纳米晶体尚未完全生长成锐钛矿晶型，不具备良好的光催化活性，当无机膜的煅烧温度高于700℃时，锐钛矿晶型的二氧化钛纳米晶体部分转变为金红石晶型，将降低光催化处理效果，当无机膜的保温时间低于0.5h时，锐钛矿晶型的二氧化钛纳米晶体尚未生长完全，当无机膜的保温时间高于4h后，锐钛矿晶型的二氧化钛纳米晶体已基本生长完全，延长保温时间对晶型将无显著影响，当无机膜的降温速度低于50℃/h时，导致制备工艺中降温时间过长，当无机膜的降温速度高于500℃/h时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
掺硅二氧化钛纳米管复合分离膜，包括孔径为１０－２００ｎｍ、孔间距为２０－１５０ｎｍ的多孔无机陶瓷膜载体和二氧化钛纳米管复合分离膜的制备，其特征在于：掺硅二氧化钛纳米管复合分离膜是以孔径为１０－２００ｎｍ、孔间距为２０－１５０ｎｍ的多孔无机陶瓷膜为载体，通过溶胶－凝胶技术掺硅制胶，载体膜［３］经过浸渍、干燥、焙烧，在载体的孔道内外形成二氧化钛纳米管，从而获得孔径［１］为１－２００ｎｍ、孔间距为２０－１５０ｎｍ的掺硅二氧化钛纳米管复合分离膜，并且，二氧化钛纳米管垂直于膜片，其硅元素掺杂摩尔含量为５－５０％。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：全燮，张海民，马宁，赵慧敏，赵雅芝，陈硕，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]